улучшение качества воды за счет использования систем аэрации

УДК 628.3
УЛУЧШЕНИЕ КАЧЕСТВА ВОДЫ ЗА СЧЕТ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ
СИСТЕМ АЭРАЦИИ
С.С. Савушкин, С.М. Давшан
ФГНУ ВНИИ «Радуга», Московская область, пос. Радужный, Россия
Одним из способов улучшения качества воды в открытых водоемах является ее
аэрирование. ВНИИ «Радуга» в течение многих лет ведет работы в этом направлении.
Разработаны технология и технические средства для аэрации воды.
Аэрирование воды – это процесс обогащения воды кислородом за счет
принудительной подачи и растворения в ней воздуха.
Система глубинного аэрирования используется для:
ускорения процесса биологической очистки сточных вод сельскохозяйственных
животноводческих и перерабатывающих предприятий;
аэрирование воды (насыщение кислородом воздуха до 100%) рыбоводных водоемов.
Биологическая очистка загрязненной органическими соединениями воды с отходами
животноводческих и перерабатывающих предприятий, работающих полностью или
частично на оборотной воде, за счет подачи в них кислорода очень эффективна,
малоэнергоемка по сравнению с другими видами очистки и экологически безопасна.
Время очистки снижается в 1,4-1,6 раза. Особенно эффективна система аэрирования на
небольших предприятиях, удаленных от крупных водоисточников.
Широко используется аэрация при выращивании рыбы в нагульных и зимовальных
прудах. За счет повышения содержания кислорода в воде в нагульных рыбоводных
прудах можно увеличить плотность посадки рыбы и, соответственно, выход рыбы с
единицы площади пруда.
В зимнее время содержание кислорода в прудах резко снижается, что ведет к мору
рыбы. Аэрация позволяет ликвидировать этот недостаток. Причем подаваемый воздух
перед входом в систему может подогреваться в специальной камере.
Пополнение кислорода в водоемах осуществляется за счет применения специальных
аэраторов. Во ВНИИ «Радуга» разработано несколько конструкций аэраторов. Наиболее
эффективна конструкции аэратора А-15.
Техническая характеристика аэратора А-15
Подача воды (производительность по воде), л/с
Рабочий напор на входе в аэратор, м
Подача воздуха, л/с
Глубина подачи аэрированной воды, м
Масса, кг:
аэратора
комплекта в сборе
13,3…16,3
20…30
3,1…3,8
до 3,5
10
60
При пропуске воды через аэратор происходит всасывание воздуха в поток воды,
который смешивается с водой и в виде водовоздушной эмульсии подается в водоем.
Аэрированная вода расходится на заданной глубине потоками, параллельными
поверхности водоема. Избыточный воздух мелкими пузырьками поднимается к
поверхности воды, попутно аэрируя его толщу и перемешивая слои воды в вертикальном
направлении.
Подача аэрированной воды осуществляется в зависимости от условий работы на
глубину 0,5…4,0 м за счет подающих труб, наращиваемых на корпус аэратора.
Устанавливают аэратор так, чтобы нижняя часть аэратора отстояла от дна водоема
не менее чем на 300 мм, а при заиленном дне – на 500…600 мм.
Существуют две основные технологические схемы аэрирования рыбохозяйственных
водоемов с применением механических средств аэрации:
с активным водообменном, когда отработавшая и обескислороженная вода
сбрасывается из водоема с одной стороны пруда, а с противоположной стороны
поступает свежая, обогащенная растворенным кислородом вода, то есть процесс
происходит в проточных водоемах;
без водообмена, но с массовым перемешиванием при помощи средств аэрации, при
этом восполняется в воде растворенный кислород, поглощаемый водными организмами, в
том числе рыбой.
Первая схема (см. рисунок) используется на зимовальном участке или в бассейнах с
увеличенной плотностью посадки рыбы в интенсифицированных хозяйствах. Вторая
схема в различных вариантах используется для аэрации в летних нагульных и выростных
прудах, которые практически проточные.
Технологическая схема системы аэрации воды в водоподающем канале
Основными элементами системы аэрации воды в водоподающем канале по первой
схеме являются: водоподающий канал 1, насосная установка или станция 2, затвор 3 (для
обеспечения необходимого уровня воды в канале перед водозабором), напорный
трубопровод 4, аэрационная камера 5 с аэраторами 6, пруды (зимовальные участки) 7,
сбросной канал 8 с шандорами 9.
Аэраторы размещаются в камере, где температура воздуха в зимнее время
автоматически поддерживается в пределах +2…+5ºС.
Насосная станция 2 подает воду с необходимым напором к аэраторам 6, проходя
внутри аэратора вода захватывает воздух, образуя водовоздушную смесь. Аэрированная
вода по водоподающему каналу 1 направляется в зимовальные пруды 7, отработавшая в
прудах вода отводится в сбросной канал 8 и сбрасывается в реку.
Во всех случаях захваченный избыточный воздух на выходе из аэратора в виде
воздушной эмульсии поднимается к поверхности воды, попутно растворяясь и создавая
вертикальные потоки, нарушающие стратификацию воды, то есть дополнительно активно
аэрируя толщу воды.
Аэратор А-15 испытывался при различных условиях его использования: когда
отражатель-распределитель был опущен на глубину 0,3 м, и когда он с помощью
подающей трубы длиной 2 м находился на глубине 2,45 м. При этом замерялись давление
на входе в аэратор с помощью манометра и расход воды через аэратор расходомером.
Результаты испытаний показали, что при рабочем напоре воды на входе в аэратор
20…30 м расход аэрируемой воды изменялся в пределах 12…16 л/с, в зависимости от
глубины погружения отражателя-распределителя. При этом в наиболее сложных
условиях эксплуатации, когда глубина подачи аэрированной воды от поверхности
водоема достигала порядка 2,5 м, аэратор обеспечивал достаточно высокий расход
воздуха, и при тех же напорах он изменялся от 5,0 до 5,5 л/с, что доказывает его
эффективность.
Аэраторы можно использовать как в одиночном исполнении, так и при групповом
их соединении, в зависимости от особенностей систем аэрации, объема прудов,
плотности посадки рыбы и других факторов.
Количество аэраторов на системе определяется расчетом. Составляется баланс по
кислороду в зимовальном пруду, покрытом льдом (расчетный режим), в следующем виде
Qn ρn  П  Qc ρc ,
(1)
где Qn - расход подачи аэрированной воды, л/с; Qс - расход сбросной воды, л/с;
ρn - содержание кислорода в аэрированной воде, мг/л; ρс - содержание кислорода в
сбросной воде, мг/л; П - потребление кислорода рыбой, мг/с.
При равенстве значений расхода подачи и сброса имеем
(2)
Q (ρn -ρc )  П .
Расход аэрированной воды для обмена составит
П
Q
,
(3)
ρn  ρc
где П  П  F  G ; П - потребление кислорода на 1 т рыбы, мг/с; G –плотность посадки
рыбы, т/га; F –площадь пруда, га.
По данным источников [1…4] для обеспечения потребности 1 т рыбы необходимо
подать в пруд воды 2…3 л/с для водообмена.
Учитываем то обстоятельство, что содержание кислорода можно подсчитать по
следующей формуле
П  0,2Qn  ρn ,
(4)
где Qn - подача воды в пруд (2..3 л/с); ρn - среднее содержание кислорода в подаваемой
воде, мг/л.
Принимая для расчета ρ n = 6…8 мг/л, получим, что П = 2,4…4,8 мг/с при
температуре не менее 5ºС. Эти значения можно принять для дальнейших обоснований
технологических параметров зимовальных прудов.
Расход аэрированной воды на 1 т посадки рыбы определяется по формуле (3) при
G= 1. Рассчитанные значения приведены в таблице.
Полный расход воды определяется через удельный расход по зависимости
Q  Q  F G ,
(5)
где Q - удельный расход воды, л/с.
Расход аэрированной воды на 1 т рыбы
ρn  ρc , мг/л
1
2
2,5
2,5
1,25
Потребление кислорода П, мг/с
3,0
4,0
5,0
3,0
4,0
5,0
1,5
2,0
2,5
6,0
6,0
3,0
3
4
5
0,83
0,86
0,5
1,0
0,75
0,6
1,33
1,0
0,8
1,67
1,25
1,0
2,0
1,5
1,2
Необходимое количество аэраторов (А) рассчитывается по следующей формуле
Q
(6)
A ,
q
где Q -требуемый расход аэрированной воды, л/с; q - расход воды аэратором, л/с.
Расход аэратора принимается по данным технической характеристики.
Потребляемая системой аэрации мощность определяется выражением
QH
(7)
N
, кВт ,
102η
где Q - общий расход аэрированной воды, л/с; Н - напор, развиваемый насосом, м.
Н=Нr+hтр+Нс,
где Нr - геодезическая высота, м; hтр - потери напора по длине трубопроводов, м;
Нс - свободный напор на аэраторе, м;  - коэффициент полезного действия насосного
агрегата.
Помимо аэраторов, в состав технологического оборудования системы аэрации
входят трубопроводы и насосно-силовое оборудование, которые подбираются
гидравлическим расчетом.
Эффективность работы аэраторов подтверждается применением их при
реконструкции Березняковского рыбоводного завода ТОО «Рыбоводстрой» (Сахалинская
область). Система аэрации грунтовой воды при эксплуатации восьми аэраторов А-6 с
расходом 6 л/с каждый на этом заводе обеспечивает стопроцентное насыщение воды
кислородом (начиная с 74,1%) при давлении на аэраторах, начиная от 10 м и выше
/данные А.В. Комарова/.
Предложенные системы аэрации внедрены в технических проектах в рыбхозах
«Нара» Наро-Фоминского района и «Осенка» Коломенского района Московской области.
Предложения по оснащению системой аэрации рыбоводных прудов переданы в другие
регионы Российской Федерации.
Использование аэратора с подачей оборотной воды 6 л/с позволяет повысить
норматив посадки на 1 га нагульного пруда в 2 раза, а аэратора с подачей 15 л/с – в 3 раза,
то есть в конце сезона получить, соответственно, товарной рыбы 45 ц/га или 68 ц/га, что
превысит среднюю продуктивность в 3-3,5 раза.
Помимо стационарных установок, оснащенных специальными аэраторами, в
практике пользуются различными простейшими средствами, в том числе и
дождевальными аппаратами, разбрызгивающими воду по поверхности пруда.
Передвижная сборно-разборная установка для аэрации рыбоводных прудов
представляет собой сборный трубопровод из труб диаметром 70 или 100 мм,
расположенный вдоль двух противоположных сторон пруда. На трубопроводе
устанавливают стояки высотой 1,2 м через 5 м друг от друга, на которых монтируются
дождевальные аппараты от ДМ «Фрегат» второй или третьей серии. Общее количество
аппаратов 16 штук – по 8 штук с каждой стороны. Каждый аппарат обеспечивает расход
0,56…0,6 л/с. Аппараты не вращаются и разбрызгивают воду по поверхности пруда.
Радиус их действия 15…17 м, ширина факела 3…3,2 м. Суммарный расход установки –
13 л/с. Необходимый напор вначале системы 26…30 м.
Подача воды в систему производится центробежным насосом с электродвигателем.
Вместе с водными каплями в пруд попадает воздух, который обогащает воду кислородом.
Гидравлическим расчетом подбираются трубы, насос, соответствующая
гидротехническая арматура.
Система легко может быть собрана в любом рыбоводческом хозяйстве. Она
достаточно простая, но эффективность ее несколько ниже рассмотренной выше схемы.
Разработанные технические средства, по нашему мнению, могут успешно
применяться и для аэрирования различной водной среды промышленного и
хозяйственного назначения при соответствующем обосновании технологии их
использования.
Библиографический список
1. Гриневский Э.В., Каспин Б.А., Керштейн А.М. Проектирование рыбоводных
предприятий. //Справочник. М.: Агропромиздат, 1990.
2. Рыбоводно-биологические нормы для эксплуатации прудовых хозяйств. ВНПО по
рыболовству. М.: ВНИИПРХ, 1985.
3. Инструкция по зимовке рыбопосадочного материала в прудах. М.: Минрыбхоз,
ВНПО по рыболовству, 1984.
4. Акимов В.А., Гуренко В.С., Савченко Ю.Н. Технические средства аэрации
рыбоводных прудов. М.: Агропромиздат, 1990.